面向车用燃料电池耐久性的网络分层控制研究

车载质子交换膜燃料电池系统的实际使用寿命离产业化目标还有很大差距，提高燃料电池耐久性成为当务之急。本课题围绕燃料电池耐久性动态模型和面向耐久性的网络分层控制方法两个关键科学问题，采用数值仿真、硬件在环测试、台架实验和实车试验等方法开展研究工作。首先，结合循环寿命试验和实车运行数据，研究燃料电池动态模型参数的变化规律。有望深化燃料电池性能衰退机理认识，发展一种基于线性慢时变系统状态辨识的耐久性动态模型。其次，探索一种网络分层控制方法，从系统控制的角度提高燃料电池耐久性。研究燃料电池自适应非线性鲁棒控制算法，获得良好的空气流量、阴极压力和阳极压力的动态特性；探索基于广义多目标优化的能量管理算法，实现性能综合优化；研究存在非理想网络状态的网络控制系统的稳定性问题。最后，通过试验验证算法的有效性。研究结果将丰富网络控制理论在新能源动力系统中的应用，同时有望指导我国燃料电池汽车的自主创新。

本课题聚焦燃料电池耐久性控制问题，致力于建立系统动态模型，寻找综合提高耐久性、经济性的控制方法，取得如下成果。.1）建立了多能域多时间尺度燃料电池非线性动态模型.以中压金属双极板质子交换膜燃料电池系统为对象，建立了多能域多时间尺度燃料电池非线性动态模型。该模型考虑了燃料电池在不同空间尺度（系统、附件）和时间尺度（微、小、大）的特性。结合实际数据，标定了单体模型和寿命衰退模型。.2）研究了面向经济性、耐久性的分层控制策略。.该控制系统分为整车功率控制器、燃料电池系统控制器两个层面。前者控制燃料电池输出功率，解决动力系统能量管理问题；后者协调燃料电池内部状态，解决各部件动态协调控制问题。两者之间通过CAN/FlexRay网络系统进行通讯，采用变参数延时方法进行协调。.研究了多目标优化能量管理算法。采用动态规划、最小值原理，求解了多目标优化问题，总结出提高系统经济性、耐久性的一般原理。尔后采用多模式控制的方法设计了实时控制策略。.研究了燃料电池非线性鲁棒控制策略，包括空气系统主动扰动控制策略、氢气系统最优脉冲排气策略、典型故障识别与容错控制等。初步探讨了燃料电池湿度估计算法、自增湿系统控制策略。编写了完整的燃料电池控制策略。.3）开展了实验研究.在燃料电池客车平台上，验证了整车能量管理策略。台架测试结果表明，电堆性能衰退率降为原来的一半左右。实际道路测试表明，百公里氢耗达到8.37kg，满足企业内部指标要求。.针对中压金属板燃料电池系统，验证了燃料电池非线性鲁棒控制策略。结果表明，在1/3额定功率负载率下，氢气利用率达92.5%。控制策略可判断局部水淹现象，并能在10s内清除局部水淹。燃料电池工作在60-65摄氏度之间，系统可稳定运行1小时以上，初步满足上车要求。.4）掌握了一系列核心软硬件技术.包括新一代32位整车控制器技术、全自动代码生成技术、新一代通讯网络FlexRay技术、智能手机平台（BlackBerry, iOS）开发技术，为本项目的成果转化奠定基础。